Nokassen

Nokkenassen:
Het gaat dus met name om ademhaling van de motor. Alleen door meer lucht in de motor aan te zuigen wordt het vermogen verhoogd. Meer lucht betekent dat er meer brandstof kan worden ingespoten. Dit lucht/brandstof mengsel wordt op het meest gunstigste moment ontstoken en zo ontstaat een hoeveelheid energie in de vorm van een gecontroleerde verbranding (explosie) die z'n kracht uitoefent op de zuiger. In de animatie hiernaast is dat nogmaals perfect te zien.

De nokkenas bepaald in hoofdzaak hoeveel lucht er in de motor wordt toegelaten. Het verbrandingsproces bestaat uit 4 fases; het 4-takt proces.

1) Het aanzuigen van de lucht (intake).
2) Het comprimeren van de lucht (Compression).
3) Het ontsteken van het lucht/brandstofmengsel, de arbeidsslag (Power).
4) Het uitstoten van het verbrande mengsel (Exhaust).

Het systeem:
De nok bepaald als het ware precies wanneer een klep opent, hoelang die open staat, hoe ver die open staat en wanneer die sluit. Tevens bepaald de nok hoe de klep opengaat en sluit. Dat wil zeggen opent hij langzaam of snel. Hieronder is een plaatje van een nokvorm te zien.

Het plaatje links is expres een beetje groot afgedrukt omdat de termen die hier te lezen zijn heel belangrijk zijn

1) Toe or nose: de teen of neus IS in feite de nok. Het licht blauw gekleurde gedeelte De vorm van de nok bepaald dus alles.

2) Flank: de flank bepaald hoe de klep opent.

3) Lift: de lifthoogte bepaald hoe ver de klep open gaat. De lift is een heel belangrijke grootheid en bepaald een groot gedeelte van het karakter.

4) Timing points: Oftewel de openingstijden. Deze tijden worden altijd uitgedrukt in graden van de krukas. Realiseer je dat de krukas twee maal zo snel draait dan de nokkenas. Niet te ver over nadenken want dat werkt erg verwarrend.

5) Base circle: de basis cirkel. Dit is de dikte van de as. Over deze omtrek is de klep geheel gesloten en in deze stand geldt de zogenaamde klepspeling: de speling tussen de nokkenas en de klepstoter. Dit is een afstelgegeven vanuit de fabriek.

6) Clearence ramps: Hier is nauwelijks een goede Nederlands term voor te bedenken. Maar het is het stukje omtrek van de nokkenas die iets dikker is dan de basiscirkel. Deze verdikking is gemaakt om de krachten op de kleppentrein te verminderen. Zowel tijdens het openen als het sluiten van de kleppen

7) Heel: de hiel van de nokkenas. Het gedeelte waar eigenlijk helemaal niets gebeurd. De klep is dan gesloten en het verbrandingsproces vindt dan grotendeels plaats. Toch is deze periode heel belangrijk. Met name voor de uitlaatklep. Gedurende deze periode heeft de uitlaatklep de tijd om af te koelen. Tijdens de uitstoot van de verbrandingsgassen wordt de uitlaatklep sterk opgewarmd. Er stromen tenslotte gloeiend hete (> 900 graden) uitlaatgassen langs. De klep heeft op dat moment goed beschouwd geen contact met de rest van de motor en kan z'n warmte dus niet afstaan. Deze warmte moet hij dus afstaan tijdens de gesloten fase. De inlaatklep heeft daar niet zo'n last van omdat daar koele inlaatlucht langs binnen stroomt.

Naast al deze gegevens zijn er nog een aantal afgeleide grootheden.

8) Intake lobe/exhaust lobe: De openingstijd van de inlaat en uitlaatklep. Deze worden in feite bepaald door de "Timing points". De periode van de "Clearance ramps" wordt hierin niet meegenomen.

9) Overlap: De overlap van de in- en uitlaatklep. Tijdens het verbrandingsproces is er een periode waarbij de in- en uitlaatklep tegelijkertijd open staan. Dit wordt de klepoverlap genoemd. Deze overlap is zeer bepalend voor de uiteindelijke prestaties.

10) Lobe separation angle: De nokhoek. Deze hoek geeft de hoek weer tussen de centre lijnen van de in- en uitlaatnok en hebben dus een relatie met de overlap. Niet altijd want een nok hoeft niet symmetrisch te zijn. Doorgans is dat wel zo.

Samenhang prestaties:
Maar hoe hangen deze gegevens nou precies samen met de prestaties van de motor. Aan de hand van het kleppen diagram van een 2.0 16v Twin Spark zal ik dat stap voor stap bespreken. Allereerst een overzicht van de bekende fabrieksgegevens van een 2.0 16v Twin Spark motor van een 155 2.0 16v. Deze worden vergeleken met een gemodificeerde nokkenas van Colombo en Bariani; DE Italiaanse nokkenassen draaier uit Italië.

Normaal gesproken wordt een kleppendiagram in een cirkel weergegeven. Ik probeer het op een andere in mijn ogen meer duidelijkere manier weer te geven. Zie hieronder (klik erop voor een vergroting).

	Gemodificeerde t.o.v. standaard
1) Nokvorm	Dikker / boller
2) Inlaatopenings moment	Eerder
3) Inlaatsluitings moment	Later
4) Inlaatopeningsduur	Langer
5) Uitlaatopenings moment	Eerder
6) Uitlaatsluitings moment	Later
7) Uitlaatopeningsduur	Langer
8) Klepoverlap	Groter
9) Kleplift	Groter
10) Nokhoek*	Vrijwel gelijk
11) Basis cirkel	Gelijk
12) Clearance lamps*	Gelijk
* Fabrieksgegeven onbekend

Zoals eerder al gezegd is het de kunst een zo groot mogelijk lucht/brandstof mengsel in de cilinder te zuigen. Hierbij wordt eigenlijk constant gebruik gemaakt van het feit dat massa (het lucht/brandstofmengsel) traag is. Dat werd ook al even aangehaald in het "Wat is koppel en vermogen" artikel. Lucht is zwaar! Lucht wat eenmaal in beweging is wil niet meer afgeremd worden. Uit dat ogenschijnlijke nadeel wordt een groot voordeel gehaald..

Dit moet natuurlijk tot een minimum beperkt blijven want deze inlaatlucht
is het lucht/brandstofmengsel. Dat is ook de reden waarom de overlap bij
moderne emissie arme motoren vrijwel 0 is. Maar terug naar het inlaat-
mengsel. Dit mengsel is dus al in beweging, nog voordat de zuiger BDP
heeft bereikt. Nadat de zuiger z'n BDP voorbij is gaat hij zelf echt zuigen
aan de inlaatklepopening en zuigt het lucht/brandstof mengsel naar binnen
en bereikt zo opnieuw een hoge snelheid. Lucht is zwaar en wil daarom niet
afgeremd worden. Nadat de zuiger in ODP is aangekomen is het lucht/
brandstofmengsel nog steeds in beweging. Zelfs nadat de zuiger z'n ODP
voorbij is wordt er nog steeds mengel toegelaten omdat er snelheid in de
stroming zit. De kunst is om precies op het moment dat de mengselstroom
door de inlaatklep tot stilstand komt de klep te sluiten. Dan spreekt men van
een zo goed mogelijke vulling van de cilinder.

Logisch is dat dit gehele proces sterk afhankelijk is van de snelheid van de zuiger en kleppen oftewel het toerental van de motor. Zo kan men zich voorstellen dat de vulling van de cilinder afhankelijk is van het toerental. De volgende stap is te begrijpen dat de vulling dus een direct verband heeft met de hoeveelheid energie (= kracht) die uiteindelijk uit het verbrandingsproces ontstaat. Kortom, de motorkoppelkromme. Uit de laatste stap is te begrijpen dat hoe vaker men deze kracht per tijdseenheid kan uitoefenen hoe meer vermogen de motor ontwikkeld. Het motorvermogen.

In het hele voorgaande verhaal hebben we een grootheid nog niet behandeld. De lifthoogte van de nok. Dit geeft eenvoudig weg aan hoe ver de klep wordt opengedrukt. Hoe verder de klep open gaat hoe groter het doorlatende oppervlak van het inlaattraject wordt, dus hoe meer mengsel er toegelaten wordt. Da's mooi zou men denken. Een grote lift is dus altijd beter. Helaas niet, want hoe groter de lift hoe lager de gassnelheid van het instromende mengsel zal zijn dus hoe minder men gebruik kan maken van de massatraagheid van het mengsel. Doorgaans wordt veel lift gebruikt om veel topvermogen te maken en genoegen te nemen met wat minder koppel op lagere toeren. Daarbij moet men ook rekening houden met de lift van de klep in het BDP moment. De klep mag de zuiger natuurlijk niet raken. Een hoge lift betekent ook een zwaardere mechanische belasting voor de kleppentrein. Tenslotte moet men rekening houden met de maximale indrukking van de klepveer.

Kortom, het motorkoppel en het moment (toerental) waarbij het maximale motorkoppel wordt ontwikkeld heeft alles te maken met de openingstijden van de in- en uitlaatkleppen en de kleplift. Met het ontwerpen van een nokvorm moet de fabrikant dus met een groot aantal aspecten rekening houden. Een nokkenas is daarom altijd een grote compromis tussen het motorkoppel, motorvermogen, stationair loop, brandstofverbruik, emissie eisen en levensduur van de motor.

In de volgende tabel wordt duidelijk gemaakt hoe precies de nokvorm grootheden het motorkoppel en vermogen beïnvloeden.

Uit dit tabelletje zou blijken dat een sneller nokkenas ten opzichte van de standaard fabrieksnokkenas altijd een vermindering van koppel zou betekenen. Maar dat is onzin. Een fabrieksnokkenas zit meestal nog onder de optimale nokkenastiming wanneer het gaat om de fijnste koppel- en vermogenbalans voor straatgebruik. Daarom opnieuw een tabel met de verschillende gradaties in snelle nokkenassen en de bijbehorende rijeigenschappen voor een 2.0 16v Twin Spark motor..

Inlaatopeningshoek	Eigenschappen
220	Tammere versie van de 2.0 16v modulaire motor, bijvoorbeeld de 2.4 Abarth motor van de Fiat Stilo. Zeer rustige stationair loop, strengste milieu eisen (Fase 3), hoog koppel op lage toeren minder vermogen op hogere toeren. Ongeveer 70 pk/liter motorinhoud.
228	Standaard 2.0 16v Twin Spark motor, Rustige stationair loop, voldoet nog steeds aan de fase 3 emissie-eisen, redelijk koppel op een wat hogere toerental, redelijk vermogen op hogere toeren, bereik tot 7000 RPM. Ongeveer 75 pk/liter.
272	Stage 1 C&B gemodificeerde straat nokkenas. Prima stationairloop, meer koppel over het hele toerengebied, meer vermogen op hogere toeren. Bereik tot 7500 RPM. Hele prettige allround nokkenas. Voldoet prima aan APK eisen. Ongeveer 90 pk/liter.
280	Stage 2 C&B straat nokkenas. Iets onrustigere stationairloop, meer nadruk op veel koppel op hogere toeren, nog meer vermogen op een hoger toerental. Bereik tot meer dan 7500 RPM. Balanceren motorblok aanbevolen. De meer race nokkenas voor de straat. Ongeveer 95 pk/liter
292	Stage 1 C&B race nokkenas. Onrustige stationairloop. Weinig koppel op lage toeren, veel koppel en veel vermogen op hoge toeren. Bereik > 8000 toeren, balanceren vereist. Ongeveer 100 pk/liter
308	Stage 2 C&B race nokkenassen. Zeer onrustige stationairloop, weinig koppel op lage toeren. Veel vermogen op hoog toerental. Een echte racemotor nokkenas. Meer dan 110 pk/liter

Het totaal begrijpen van een nokkenasvorm en de invloeden van alle grootheden is zeer complex. Alles heeft overal invloed op en een perfecte nokkenas bestaat eigenlijk niet. Fabrikanten maken gebruik van verstelbare in- en uitlaatnokkenassen om zo veel mogelijk compromissen te omzeilen. Ook zijn er fabrikanten die gebruik maken van verschillende nokprofielen. Zij kunnen tijdens het draaien van de motor van nokprofiel wisselen (Honda). Maar over niet al te lange tijd zal een nokkenas verleden tijd zijn. Fiat Auto is al druk bezig met een klepbedieningsmechanisme waarbij geen gebruik meer wordt gemaakt van een nokkenas, maar van een combinatie van pneumatiek/hydraulica en uiteraard elektronica. Hierdoor zijn alle grootheden onafhankelijk van elkaar te te beïnvloeden. Dat is ook het moment waarop de gasklep in de benzinemotor komt te vervallen. Maar dat is weer een heel ander verhaal.

		Koppel lage toeren	Koppel hoge toeren (= vermogen)
Inlaatopeningsduur	Langer	Neemt af	Neemt toe
Uitlaatopeningsduur	Langer	Neemt af	Neemt toe
Klepoverlap	Groter	Neemt af	Neemt toe
Lift	Hoger	Neemt af	Neemt toe